大空間智能消防炮現(xiàn)場(chǎng)電控系統(tǒng)研制

（沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

大空間智能消防炮現(xiàn)場(chǎng)電控系統(tǒng)研制

李瑞民 馬 強(qiáng) 路芳宇 潘 伏

（沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

本文論述了智能消防炮的工作原理及電控系統(tǒng)的工作過程，針對(duì)電控系統(tǒng)的智能化要求設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件及軟件。

智能；電控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

前言

火災(zāi)指的是在空間層面和時(shí)間層面上因失控的物體燃燒而造成的包括物質(zhì)損失﹑人員傷害在內(nèi)的災(zāi)害。在大空間建筑物，例如車間﹑庫房等內(nèi)，火災(zāi)的發(fā)生會(huì)對(duì)國家人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的危害。針對(duì)大空間和多樣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)了智能消防炮系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)電控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能消防炮整體主要包括前端采集部分（火災(zāi)探測(cè)器）﹑信息處理部分（中心控制主機(jī)）和消防炮聯(lián)動(dòng)三個(gè)部分。根據(jù)需要監(jiān)測(cè)空間大小和監(jiān)測(cè)空間內(nèi)易燃物的類型選擇不同的火災(zāi)探測(cè)器，系統(tǒng)工作時(shí)火災(zāi)探測(cè)器收集到相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并且根據(jù)對(duì)應(yīng)的規(guī)則識(shí)別早期火災(zāi)并對(duì)其定位，定位后由現(xiàn)場(chǎng)控制人員或者系統(tǒng)本身自動(dòng)啟動(dòng)滅火流程。聯(lián)動(dòng)的消防炮在接收到中心控制主機(jī)傳輸?shù)臏缁鹬噶詈?，按照要求的角度盡可能快速的定位并開啟滅火水槍閥門執(zhí)行滅火。此時(shí)火災(zāi)探測(cè)器在中心控制主機(jī)控制下檢測(cè)滅火地點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)已熄滅后發(fā)出停止射流指令，消防水炮歸位，后續(xù)若再發(fā)現(xiàn)火災(zāi)復(fù)燃再次啟動(dòng)。智能消防炮現(xiàn)場(chǎng)電控系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)兩路電機(jī)的精確定位和射流開關(guān)的打開關(guān)閉。在控制水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)和垂直旋轉(zhuǎn)電機(jī)的同時(shí)還要有光電隔離電路，過流檢測(cè)保護(hù)電路和電機(jī)限位開關(guān)輸入信號(hào)處理。射流開關(guān)的控制電磁閥和直流電機(jī)一樣需要對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)使用還需要配備數(shù)據(jù)接口，包括接收需求角度信息的RS485通訊接口和有線現(xiàn)場(chǎng)控制手柄。

電控系統(tǒng)工作過程：中心控制主機(jī)發(fā)送消防炮所需要瞄準(zhǔn)的水平角度和垂直角度，以及需要的射流壓力，電控系統(tǒng)的處理器在接收到數(shù)據(jù)后立即驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)做出響應(yīng)，每路電機(jī)對(duì)應(yīng)的碼盤實(shí)時(shí)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度，精準(zhǔn)控制直流電機(jī)的定位角度。在達(dá)到需要的角度后，啟動(dòng)聲光報(bào)警同時(shí)對(duì)壓力傳感器傳輸回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，核實(shí)后打開電磁閥進(jìn)行射流滅火，滅火動(dòng)作完成后電機(jī)歸位。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器模塊設(shè)計(jì)

微處理器在工業(yè)控制系統(tǒng)處于核心的地位，其性能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電控系統(tǒng)的工作能力起著決定性的作用，因此也會(huì)影響整個(gè)消防炮現(xiàn)場(chǎng)電控系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

STM32系列單片機(jī)與之前常用的51單片機(jī)﹑AVR等相比，具有更高的性能﹑更低的功耗，并且在開發(fā)使用方面更加的方便快捷，縮短開發(fā)周期，經(jīng)濟(jì)性上面來說一些基于ARM Cortex M的芯片價(jià)格甚至可低至10元人民幣左右。

意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的STM32F103C8T6微控制器便是一款基于Cortex-M3內(nèi)核的微處理器。該芯片具有杰出的功耗控制以及眾多的外設(shè)，最重要的是其性價(jià)比。片內(nèi)FLASH為64K，SRAM為20K；片內(nèi)雙RC晶振，提供8M和32K的頻率；支持片外高速晶振（8M）和片外低速晶振（32K）；支持JTAG﹑SWD調(diào)試；多個(gè)GPIOS，3個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)高級(jí)定時(shí)器，2路SPI接口，2路I2C接口，3路USART接口，1個(gè)USB從設(shè)備接口，1個(gè)CAN接口；內(nèi)置1個(gè)12位的ADC轉(zhuǎn)換器（16通道）﹑DMA控制器﹑獨(dú)立看門狗和窗口看門狗。此款芯片功能強(qiáng)大，完全滿足了我們對(duì)儀器設(shè)計(jì)的要求。

2.2 炮體轉(zhuǎn)動(dòng)（直流電機(jī)）驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用H橋電路來控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括2個(gè)NPN型三極管﹑2個(gè)PNP型三極管和一個(gè)被控制電機(jī)。成對(duì)的改變電路中四個(gè)三極管的導(dǎo)通關(guān)閉狀態(tài)，從而控制進(jìn)入直流動(dòng)電機(jī)的電流方向，由此也就可以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)要達(dá)到控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和定位的目的，還需要高頻的PWM開關(guān)變換器，為了確保整個(gè)直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路能穩(wěn)定地工作在快速的PWM信號(hào)控制開關(guān)狀態(tài)下，電路中需要給出可以確保穩(wěn)定工作的柵極驅(qū)動(dòng)電路。

MC33152是一款專門設(shè)計(jì)在低電流數(shù)字電路和功率MOSFET之前用于連接的單片雙MOSFET轉(zhuǎn)換高速集成驅(qū)動(dòng)器芯片。MC33152具有兩個(gè)大電流輸出通道，完全適用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，且其具有低輸入電流，和晶體管-晶體管邏輯（TTL）和互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電路相容。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的電容為防止電機(jī)產(chǎn)生的尖脈沖，二極管為了防止電機(jī)停止供電產(chǎn)生的反向大電流對(duì)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生破壞，兩種器件都用在此處。

2.3 電機(jī)過流保護(hù)和防堵轉(zhuǎn)保護(hù)

系統(tǒng)選用的直流電機(jī)正常工作的額定電流為3A，空轉(zhuǎn)電流為0.15A，為了防止長(zhǎng)時(shí)間過大的電流對(duì)電機(jī)本身造成損壞或者對(duì)驅(qū)動(dòng)電路造成影響，需要保證電機(jī)電流不能超過允許的條件，因此必須在電機(jī)控制設(shè)計(jì)時(shí)加入過流保護(hù)電路。

在電機(jī)發(fā)生了堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象的時(shí)候也會(huì)使電機(jī)的電流升高，此時(shí)也需要檢測(cè)電路識(shí)別出堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象并執(zhí)行堵轉(zhuǎn)保護(hù)。

在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路加入一個(gè)小電阻RS1作為電機(jī)工作的取樣電阻，電機(jī)工作電流經(jīng)過RS1取樣電阻會(huì)產(chǎn)生壓降，因?yàn)檫x擇取樣電阻值都比較小，因此產(chǎn)生的壓降也比較小，需要進(jìn)過運(yùn)算放大器放大之后才能進(jìn)入電壓比較器來確定電流值是否超過預(yù)設(shè)的閾值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在軟件控制設(shè)計(jì)上面采用模塊化的設(shè)計(jì)，將實(shí)現(xiàn)每一個(gè)功能的程序作為一個(gè)模塊來執(zhí)行，每一個(gè)模塊程序單獨(dú)分別編寫﹑編譯和調(diào)試，可以降低程序編寫和維護(hù)的復(fù)雜程度，有利于程序執(zhí)行的穩(wěn)定程度，同時(shí)也可以使處理器更容易執(zhí)行，縮短處理器工作的時(shí)間。如在后續(xù)有更多的功能要加入也容易進(jìn)行后續(xù)的開發(fā)，必要時(shí)可對(duì)相應(yīng)影響模塊進(jìn)行修改，而不需要全部重新編寫。

結(jié)語

針對(duì)消防炮可以應(yīng)用的多種惡劣工業(yè)環(huán)境進(jìn)行了檢測(cè)，包括高溫﹑低溫﹑恒定濕熱﹑絕緣電阻﹑介電強(qiáng)度﹑電壓波動(dòng)適應(yīng)能力及抗振動(dòng)性能七項(xiàng)，并且結(jié)合機(jī)械部分進(jìn)行滅火試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明智能消防炮現(xiàn)場(chǎng)電控系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，定位準(zhǔn)確快速，符合國標(biāo)要求且表現(xiàn)良好，可應(yīng)用于大型建筑物內(nèi)的固定消防系統(tǒng)。

[1]閆宏.城市防火減災(zāi)能力評(píng)估研究及應(yīng)用[D].西安科技大學(xué)，2006.

[2]李國文，孫千軍.基于STM32 的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)[J].計(jì)測(cè)技術(shù)， 2012，32（04）：38-41.

TU998.1

A